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哈工大毕业论文
直流电子负载根本工作模式的实现策略研究
吴海涛
院〔系〕:
电气工程系专业:
电气工程及其自动化
学号:
1080610505指导教师:
王明彦
2021年7月
毕业设计〔论文〕
题目直流电子负载根本工作
模式的实现策略研究
专业电气工程及其自动化
学号1080610505
学生吴海涛
指导教师王明彦
答辩日期2021年7月
哈尔滨工业大学毕业设计〔论文〕评语
:
学号:
专业:
毕业设计〔论文〕题目:
工作起止日期:
______年____月____日起______年____月____日止
指导教师对毕业设计〔论文〕进行情况,完成质量及评分意见:
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指导教师签字:
指导教师职称:
评阅人评阅意见:
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评阅教师签字:
_______________评阅教师职称:
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辩论委员会评语:
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根据毕业设计〔论文〕的材料和学生的辩论情况,辩论委员会作出如下评定:
学生毕业设计〔论文〕辩论成绩评定为:
对毕业设计〔论文〕的特殊评语:
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辩论委员会主任〔签字〕:
职称:
________________
辩论委员会副主任〔签字〕:
辩论委员会委员〔签字〕:
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年月日
哈尔滨工业大学毕业设计〔论文〕任务书
姓名:
吴海涛院〔系〕:
电气工程
专业:
电气工程及其自动化班号:
0606152
任务起至日期:
2021年12月20日至2021年6月23日
毕业设计〔论文〕题目:
直流电子负载根本工作模式的实现策略研究
立题的目的和意义:
在对电池充电器、AC-DC和DC-DC电源等设备以及功率器件、电池等部件进行性能测试时,都需要对这些设备和部件施加电气负载,传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当负载。
一种新兴的电子仪器和测试设备———电子负载应运而生,它应用电力电子技术进行负载模拟,将待试设备的输出能量反应到电网,在完成测试功率实验的前提下,实现了节能减排,还具有很强的操作灵活性。
因此,研究和开发的电能回馈型电子负载技术成为了一项有意义的工作。
就直流电子负载或交流电子负载的工作模式来说,一般有定电流(CC)、定电阻(CR)、定电压(CV)和定功率(CP)等工作模式。
本课题对电能回馈型直流电子负载系统中如何实现定电流(CC)、定阻抗(CR)和定功率(CP)这三种工作模式开展研究。
技术要求与主要内容:
1技术要求
〔1〕直流电源
电压额定值:
48VDC;最大波动幅度:
±20%;最大波动频率:
300Hz。
〔2〕模拟负载精度
在直流电源电压的最大波动幅度和最大波动频率范围内均能保证负载电流/阻抗/功率低于2%。
〔3〕变换器输出
直流电压400VDC±5%。
2主要内容
综合运用自动控制系统的原理与设计、电力电子技术和单片机技术,完成
〔1〕设计能够同时满足不同负载模式的电力电子变换器;
〔2〕实现变换器各工作模式的控制策略;
〔3〕电力电子变换器和控制器的系统建模、性能验证与分析。
进度安排:
第1-2周了解电子负载的原理及直流电子负载的实现路线
第3-6周设计三种工作模式的直流电子负载方案
第7-11周实现变换器各工作模式的控制策略
第12-13周系统实现方案设计
第14-16周电力电子变换器和控制器的系统建模、性能验证与分析
第17-18周结题验收,撰写论文
第19周辩论
同组设计者及分工:
独力完成。
指导教师签字___________________
年月日
教研室主任意见:
教研室主任签字___________________
年月日
摘要
随着电力电子技术的开展,一种新兴的电子仪器和测试设备——电子负载应运而生。
电子负载应用电力电子技术进行负载模拟,同时可以将待试设备的输出能量反应到电网,在完成不同负载模式测试实验的前提下,不仅实现了节能减排,还具有很强的操作灵活性。
本文对直流能馈型电子负载的系统实现方案进行了设计和探究,并通过仿真分析证明其可行性。
本文详细分析了直流电子负载系统不同主电路拓扑结构的工作原理和特点,根据设计要求确定采用两级式电子负载拓扑结构。
并且完成了系统中DC-DC电路和DC-AC电路的设计。
其中DC-DC电路在实现直流升压的同时,通过闭环负反应控制实现对不同负载模式的模拟;DC-AC电路那么采用母线电压、并网电流双闭环控制策略实现对并网逆变器的控制,到达并网电压电流同相位,向电网输送功率的目的。
并采用PID调节器优化系统特性。
在完成以上的分析设计后,本文采用Matlab中的Simulink软件进行了仿真实验,对系统参数设计进行更深入的探讨,并且验证了本系统控制策略与参数选择的正确性,能够实现期望的功能。
关键词:
电子负载;并网发电;负载模拟;Simulink仿真
Abstract
Withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,anewkindofelectronictestdevice,theelectronicload,arebeinginvented.Itcouldsimulatetraditionalloadsbyusingpowerelectronictechnology,atthesametimeitcouldfeedbacktheenergygivenbytestedpowersourcetothepowergrid.Theelectronicloadaccomplishesdifferentmodeofloadtest,anditnotonlyachievesthegoalofenergyconservationandpollutionreduction,butalsohasastrongflexibilityinoperating.TheauthorhastriedtodesignaschemeofthefeedbacktypeofDCelectronicloadsystem,andthentestifyitsfeasibilitybysimulatinganalysis.
ThetextanalysesindetailaboutthedifferenttopologiesofDCelectronicloadandtheirprincipleandcharacteristic,andusesthetwopartelectronicloadtopologyaccordingtotheprojectrequirement.
Inthesystem,theDC-DCcircuitnotonlyrisestheDCvoltage,butalsorealizesthesimulationofdifferentloadmodebyclosed-loopcontrol;thentheDC-ACcircuitusesthecontrolstrategyoflinevoltageandgridcurrent’sdoubleclosed-looptocontroltheinverters’work,sothatthephaseofgrid’svoltageandcurrentarethesameandinthiswaythepowerisconveyedintothegrid.ThePIDcontrollershavebeenusedtoimprovesystemcharacter.
HavingfinishedtheanalysisanddesignabovetheauthorconductsasimulatetestbyMatlab\Simulink,andhaveamoredeeplydiscussionaboutthedesignofsystemparameters.Atthesametimesimulationensurethesystemcontrolstrategyandparametersarecorrect.Andthefunctionweexpectedcanberealized.
Keywords:
electronicload,grid-connectedphotovoltaicgenerationsystem,loadsimulation,Simulinksimulation
第1章绪论
1.1课题背景及研究的目的和意义
1.1.1课题来源
现实生活中和工业生产中都离不开各种各样不同性能不同用途的电源,生产这些电源出厂前都要进行相应的性能检验。
在对这些电池充电器、AC-DC和DC-DC电源等设备以及功率器件、电池等部件进行性能测试时,都需要对这些设备和部件施加电气负载,传统的方法是利用固定电阻和可变电阻器来充当负载。
这种方法存在精度低、可控程度低、易老化、电能损失大等诸多缺点,已经不能适应国家倡导的节能减排、低碳经济的新要求。
随着电力电子技术的开展,一种新兴的电子仪器和测试设备——电子负载应运而生,它应用电力电子技术进行负载模拟,将待试设备的输出能量反应到电网[1],在完成测试功率实验的前提下,不仅实现了节能减排,还具有很强的操作灵活性[2]。
下面表1-1为传统负载与电子负载之间的比照[3-5]:
表1-1传统负载与电子负载比照
传统负载
电子负载
电流增大时电阻温度升高,电压电流呈非线性关系,精度低,测试性能不佳
完美模拟各种负载性能〔恒流、恒阻抗、恒功率〕,满足电源测试要求
测试过程产生巨大的电能损耗
除电力电子器件少量开关损耗及线路损耗外,其余能量都能通过逆变电路回馈给电网,节约能源90%以上
体积过大,存在散热困难
体积较小,由于不消耗功率不存在散热问题
功能单一,不可控制
状态可控,可实现无级调节
元件容易老化,使用不方便
寿命较长,方便应用
基于电子负载以上的优秀性能,将其更多的应用于电源出厂性能测试已经成为必然的趋势。
因此,研究和开发的电能回馈型电子负载技术成为了一项有意义的工作。
1.1.2研究目的
本次研究任务为分析设计一个能馈型直流电子负载,实现电源性能的测试和能量回馈电网。
总体结构如图1-1所示。
其中本次设计主要完成直流升压和电源性能测试局部,使之升压至直流350V为逆变并网做准备,并且具有3种负载工作模式:
恒定电流模式(CC)、恒定电阻模式(CR)、恒定功率模式(CP),以满足电源的测试需求;同时完成并网逆变器的设计,使并网电流与电网电压同相,以保证能量能回馈到电网,且电流波形尽可能接近完美的正弦波,减小THD,提升并网质量。
图1-1电子负载总体结构
具体技术要求:
(1)直流电源
电压额定值:
48VDC;最大波动幅度:
±20%;最大波动频率:
300Hz。
(2)模拟负载精度
在直流电源电压的最大波动幅度和最大波动频率范围内均能保证负载电流/阻抗/功率低于2%。
(3)变换器输出
直流电压400VDC±5%。
1.1.3研究意义
目前已经有一些电子负载产品开始代替传统负载进行电源性能实验,如可靠性试验〔老化放电试验〕、输出特性试验等等,有些产品也已经到达了比拟好的性能[6]。
但是依然有很多问题有待改良和开发,比方很多电子负载属于能耗型电子负载,并不能到达节约能源的目的,还有些电子负载控制模式单一,或没有考虑到测试电源电压脉动的问题,不能满足电源所有的测试要求。
所以本次要设计一种直流能馈型电子负载,不仅能够满足不同类型电源的各种性能检测,到达一定的精度,而且还能将本要浪费的能量回馈给电网,同时严格满足幅值,相位,频率等要求,从而对电子负载的研究学习更进一步。
1.2国内外电子负载的研究现状及分析
传统电子负载只能进行简单的负载测试,并且测试电源的能量依然是变成热功率被消耗掉。
这种电子负载已经慢慢被淘汰,取而代之的是带有并网逆变器的能量回馈型电子负载[7],这也是近年来主要研究开发的趋势。
本文所研究的直流能馈型电子负载便是一种专门应用于直流电源测试的电子负载。
直流能馈型电子负载主要由两局部组成:
直流升压〔DC-DC〕局部和逆变并网〔DC-AC〕局部[8],如图1-1所示。
其中直流升压局部主要完成两项功能,即直流升压和各种负载特性的实现;逆变并网局部主要是将能量回馈给电网,并且保证并网电流具有比拟好的品质。
这两局部在国内外学术研究和工程领域已经取得了很多成果。
1.2.1直流升压电路拓扑的研究现状
传统的直流升压电路为Boost升压斩波电路,在电感电容无限大的理想条件下此电路的升压比理论值为无限大,但是由于工程实现中电感电容都不能到达理想特性,加之电路其他损耗,Boost升压斩波电路的最大占空比为0.88[9],即升压比不大于7.3时能够比拟好的实现。
这种电路拓扑的优点是结构简单可靠,控制方法简单,缺点是升压比有限,且开关频率增大时损耗也变大。
在一些要求升压比拟大的场合,往往采用带隔离直流升压电路拓扑,如反激电路或推挽电路,这些电路结构中由于具有升压变压器而使升压比具有更大的范围,但是同时也由变压器的使用带来了更大的损耗和体积增大、难以维护等等问题,并且由于两个开关管的导通间隔使电流存在断续,因此本拓扑只适用于电流断续型电子负载。
近二十年国内外学者提出了很多改良的拓扑结构,如Gupta[10]提出将多个直流电源串联来获得较高的输入电压;EdsonAdriano[11]提出了采用一种新型直流变换器进行升压,具体采用Cuk变换器实现对输入电流的控制,实现对实际负载的模拟;这种结构沿袭了他本人1996年的设计,他曾经提出过一种新型Cuk变换器拓扑[12],采用电容储能的Cuk变换器,其结构如图1-2所示。
这种电路拓扑不仅可以实现输入和输出电流的分开控制,而且无需其他辅助电路,通过适当的控制就能实现开关管的软关断,减小了开关损耗,其缺乏之处是升压比比拟小,不适用于对升压要求很高的场合。
图1-2一种新型Cuk变换器
与此同时许多国内学者也探究出了一些新的直流升压电路结构[13],反映出一些不同的特色特点。
总的来说,各种方案各有所长,都在自身适合的场合具有不错的效果。
1.2.2各种负载特性的研究现状
从控制策略来说,一般应用比拟多的是将电流作为参考控制量,利用系统即时参量的采样值经过一定运算与参考电流比拟,经过一个PI环节反应控制电力电子器件开通的占空比,从而到达控制不同负载特性的目的,这也是比拟传统和普遍的方式。
还有一些文献那么采用了其他比拟复杂的控制方法,比拟有代表性的是中南大学学者采用模糊控制的方法实现负载模式控制,也取得了非常优良的控制效果。
从工程实现来说,往往采用一块芯片作为整个电路采样、运算和驱动控制的核心。
由于单片机MCU的处理速度较慢不能满足控制要求,所以现在往往采用DSP芯片到达目的[14]。
图1-3为空军工程大学工程学院学者设计的一款航空电子负载[15],比拟好的展现出负载模式控制的硬件结构。
图1-3一种航空电子负载的硬件结构
1.2.3逆变并网的研究现状
直流升压得到350V直流电压后,要通过单相桥式逆变电路或三相逆变电路逆变并网,控制方式主要有SPWM控制和滞环比拟控制两种方式[16],两者各自具有不同的优缺点和适用场合;其他的一些逆变电路诸如多重逆变或多电平逆变那么由于低次谐波不易消除且结构比拟复杂而使用的比拟少。
单相桥式全控逆变电路输出的PWM波还需经过一个滤波环节和一个变压器实现并网。
滤波环节多采用L滤波器,LC滤波器,LCL滤波器等等都能到达比拟好的滤波效果[17],而变压器那么主要起到一个电气隔离的作用。
1.2.4工程实现与产品现状
在工程实现上,直流电子负载的研究已取得了一些成果,也有一些成熟的产品,并且开始在电源的试验中获得应用,如北京索英电气的电能反应式直流电子负载。
1.3系统的主要设计思路
直流能馈型电子负载系统主要由直流升压、逆变并网两局部构成。
其中本次主要研究直流升压〔负载的不同工作模式〕局部。
根据任务书所述,电源为48V带±20%波动幅度的直流电压,这个波动产生的原因有可能是该电源由三相全桥整流电路整流而得到的脉动直流源,控制时考虑参加一个闭环负反应控制削弱电源扰动的影响,同时系统滤波的带宽应至少不小于300Hz。
1.3.1直流升压斩波电路的拓扑结构选择
列出几种典型的直流升压电路拓扑结构:
Boost直流升压电路、推挽电路、中间抽头电感直流升压电路、电容储能型Cuk电路等等。
通过综合考虑升压比、电路稳定性与损耗、硬件实现难易、控制方法难易等等诸多因素选择一个最正确的拓扑。
此外有关电容电感以及电路其他元器件参数的设计和其他细节的设计均在电路设计与仿真过程中做出进一步探索和研究。
1.3.2负载工作模式的实现
本系统要实现3种负载模式:
恒定电流模式、恒定电阻模式、以及恒定功率模式。
为完成这几种模式的功能,需要对输入电流进行采样控制。
图1-4设想的一种负载模拟控制策略
图1-4为设想的以直流升压斩波电路作为例如的控制模型[18],采用输入电流Iin作为采样控制对象,与期望电流Iref比照再经过一个PID环节对开关管的占空比进行控制,从而通过一个闭环负反应系统将电流控制在期望的范围。
1.3.3逆变并网的设计
本次设计主要考虑为逆变提供前级稳定的350V直流电压,逆变并网一般采用单相桥式逆变电路,控制方式主要有SPWM控制和滞环控制两种,对这两种方法进行比照分析后选择一种适合的方案应用在本系统中[19]。
此外还要考虑对于滤波器的学习和设计,参数的计算和选择,以及并网变压器的选用,使并网电流与电网电压同相的
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